Синтез трансуранов — без ускорителя

Известно, с какими трудностями сталкивались и продолжают сталкиваться исследователи при синтезе искусственных элементов, следующих за ураном. И чем дальше от урана, тем больше этих трудностей: ведь приходится на мощных ускорителях бомбардировать мишени, состоящие из нестабильных атомов трансуранов тяжелыми изотопами более легких элементов, например кальция, выделить которые и сложно, и дорого. Поэтому не удивительно давнее стремление многих физиков и химиков обойтись более простыми методами. Успех пришел к международной группе ученых, возглавляемых китайцем Цзи (Tsi) и малагасийцем Мехкла (Mehcla). Действуя двукратным мольным избытком натрия на дициклопентадиенил, они смогли выделить с хорошим выходом из продуктов реакции первый трансурановый элемент нептуний: 2Na+Cp₂ →2Np+2Ca.

Затем, в течение месяца, последовало сообщение о синтезе следующего элемента – плутония: Au+P→Pu+Ar.

Этот способ не засекретили только потому, что для синтеза оружейного плутония он не подходит: слишком дороги исходные компоненты. Попытка использовать более дешевые реагенты: Cu+P→Pu+C также не дала желаемого практического результата — в качестве побочного продукта неизбежно получался карбид плутония РuС с резким неприятным запахом. Вскоре последовали и синтезы следующих трансуранов, одного за другим.

Несмотря на отсутствие практических применений, эти работы настолько поразили научное сообщество, что появилось специализированное издание, в котором освещаются очередные успехи группы энтузиастов: «Journal of transferable and translocating reactions». Приводим краткое резюме уже вышедших статей.

Синтез америция: Sm+Ar→Am+Sr. Синтез Кюрия: Sm+Cr→Cm+Sr. Как видим, важную роль в таких синтезах играет не слишком дорогой самарий. Однако для синтеза следующего элемента, берклия, этот метод не сработал (следует напомнить, что группе Г.Сиборга, а потом и другим исследователям в СССР, Германии и Швеции приходилось время от времени менять методику, когда предыдущие методы оказывались исчерпанными). В данном случае пришлось прибегнуть к давно испытанному методу: бомбардировке на ускорителе мишени из серы ядрами легкого бора. При этом выяснилось, что для успешного процесса необходимо разгонять эти ядра только по часовой стрелке:

B+S —^ckw→Bk+Sc+w (необычное написание символа последнего элемента объясняется тем, что вольфрам образуется с очень малым выходом). Со временем удалось заменить ускоритель мощной центрифугой, но правило обязательного вращения по часовой стрелке осталось неизменным. Ученым пока не удалось дать сколько-нибудь вразумительного объяснения этого эффекта. Зато дальнейшие синтезы пошли как по маслу. Причем иногда удавалось найти альтернативные способы.

Синтез калифорния: Hf+C→Cf+1/2H₂ (в данном случае освободить основной продукт от побочного оказалось очень легко).

Синтез фермия: Sm+Fe→Fm+Se (как видим, опять не обошлось без самария, и этот метод оказался дешевле, чем альтернативный Tm+Fe→Fm+Te). В следующей работе ученые были вознаграждены за свой кропотливый труд: им удалось в ходе одного процесса синтезировать сразу два следующих трансурана – менделевий и нобелий! Вот этот уникальный синтез: Nd+Mo→Md+No. Воодушевленные успехом, ученые без труда нашли сразу три способа синтеза последнего из актиноидов лоуренсия: La+1/2Br₂→Lr+Ba, Li+1/2Br₂→Lr+Bi, Lu+Cr→Lr+Cu.

Пора было переходить к завершению седьмого периода периодической системы. И после непродолжительного летнего отпуска (ученые провели его с пользой, участвуя в семинарах, конференциях и симпозиумах, где пропагандировали свои достижения) вышла серия следующих работ. Синтез резерфордия поначалу не шел: то невозможно было выделить его из реакционной смеси, то получались органические продукты (например, гемоглобин: Rb+Hf→Rf+Hb). Наконец настойчивость ученых была вознаграждена: целевой элемент получился исключительно высокой чистоты, поскольку освободить его от второго продукта было очень легко: Re+Hf→Rf+He. Зато при синтезе дубния из рубидия и дейтерия неожиданно образовался стабильный свободный радикал, который не желал димеризоваться: Rb+1/2D₂→Db+R•. Вероятно, это объясняется пространственными затруднениями в нем. Продолжается работа по идентификации свободного радикала; пока удалось выяснить, что неспаренный электрон перешел к нему от атома рубидия.

Синтез сиборгия: Sr+Ag→Sg+Ar. Очистить продукт от примеси не представляло трудности. Синтез бория поначалу также дал никому не нужный свободный радикал: Rh+B→Bh+R•. Но вскоре был найден другой путь, дающий одновременно два неустойчивых элемента: Rh+Ba→Bh+Ra, что опять-таки было нежелательно. Наконец был найден очень удачный вариант, в котором наряду с целевым продуктом получался самый редкий в земной коре стабильный элемент рений: Rh+Be→Bh+Re. Зато для хассия было найдено сразу несколько вполне приемлемых синтезов, например Cs+1/2H₂→Hs+C, Cs+He→Hs+Ce, Cs+Ho→Hs+Co, Cs+Ho→Hs+Co и т. д. Ключевая роль цезия в этих синтезах пока неясна. Первоначально предложенный синтез мейтнерия: Pt+Mo→Mt+Po был отвергнут из-за экспериментально показанной возможности применения полония в качестве яда. Зато предложенный вскоре альтернативный путь At+Mg→Mt+Ag ни у кого не мог вызвать никаких возражений. Синтез дармштадтия: 1/2D₂+Os→Ds+1/2O₂. Синтез рентгения тоже прошел очень гладко, продукт было очень легко очистить: Re+Hg→Rg+He. Наверное, не нужно объяснять, что дефицитный рений для этого синтеза ученые получали в результате хорошо налаженной реакции образования бория.

И вдруг поток работ из лаборатории прекратился, журнал перестал выходить. В качестве причины внезапного спада активности сами исследователи привели совершенно смехотворный довод: отсутствие названий у элементов, следующих за рентгением. Истинной причины свертывания работ узнать не удалось. Да это и не требовалось. Несмотря на строжайший режим секретности в лаборатории Цзи и Мекхла (помимо того что под этими псевдонимами спрятался один человек, на каждого сотрудника приходилось по четыре агента-охранника), скрыть тайну не удалось, и механизм реакций стал общедоступным. Поэтому можно с уверенностью предсказать, что недалек тот день, когда мы узнаем о синтезе очередного супертяжелого ядра. Можно предвидеть также, что этот элемент окажется в районе так называемого острова стабильности, и в нем магическими, по-видимому, будет и число протонов, и число нейтронов.

В заключение о том, как все же удалось раскрыть тайну секретной лаборатории. Один из ее сотрудников принес начальнику то, что сам он считал шедевром их метода:

Ce+Sc+Y+P+H₂+Sm+2Ti+Si→chemist↑+physicist↓. Однако начальнику этот синтез не понравился. «Занимайтесь своим делом, — сказал он. — И не отвлекайтесь!» Тогда сотрудник опубликовал статью, в которой описал результат смешивания в определенном порядке элементов Al+C+He+Sm+Ti. И хотя в результате синтеза получилось не совсем то, что он ожидал, взбешенный начальник, сразу раскусивший коварство подчиненного (он почти раскрыл его псевдоним!), немедленно уволил изобретательного химика. В отместку тот написал эту статью, которую передал мне для публикации в любимом журнала без указания его имени.

Публикация
И.А. Леенсона